Java 安全性的演变和理念 第一部分：安全性的基本要点6046503

Java安全性的演变和理念第一部分：安全性的基本要点本系列文章将提供对网络安全的一般了解，以及开发人员所必需掌握的Java编程语言的独特性能。在后续的连载中，将讨论Java平台安全性的设计和演变，以及不同的Java安全性API。今后的文章还将讨论Java2Platform，EnterpriseEdition(J2EE)中的安全特性，J2EE正迅速变为.com平台的首选。虽然，深入了解密码学对读者的数学水平来说是一个挑战，但第一篇文章概述的是网络安全和密码学的基本概念，而这些是非常简单，极易掌握的。又：请参阅讨论AES和密钥长度对安全性的重要性的专题。在最近的几十年内，计算模型发生了巨大的变化，由于这些变化，出现了对大规模电子商务与电子交易系统应用程序安全的更大需求，这正如最近对几个受欢迎站点的大量拒绝服务(DoS)攻击所表明的那样。尤其是对于Java团体，随着Java作为因特网编程的事实上的标准平台出现，安全移动Java代码的能力已成为基本要求。本文是系列文章中的第一篇，讨论计算机安全和密码学的一般概念。虽然可移动代码并不是一个革命性的概念，但是Java和因特网给计算机安全带来了一些不同寻常的挑战。Java体系结构的演化及其对安全的影响、不同的安全API和工具软件以及applet安全，等等，将在随后的文章中讨论。此安全性论文系列并不打算提供计算机安全问题的综合指南。计算机安全是一个多层面的问题，它涉及若干学科、部门和文化。技术投资后，接着就应该着手培训、严格的策略强制执行和总体安全策略的定期审查。注：有关算法进展的详细信息，请参阅专题“二十一世纪的加密算法”；有关密钥长度在安全性中的重要性的讨论，请参阅专题“密钥的长度是否重要？”。什么是计算机安全？要从总体上理解什么是计算机安全，有必要考虑一下安全在日常生活中意味着什么。我们将看到，日常生活中的一般安全规则同样适用于计算机安全。计算机安全的局限性有没有绝对计算机安全这样的事情？一句话，没有这样的事情。术语安全系统是一个不恰当的名称，因为它暗示了系统要么是安全的，要么是不安全的。安全实际上是一种平衡。如果提供的资源是无限的，则任何形式的安全都能遭到破坏。尽管攻击者可用来实施攻击的资源越来越多，但在现实世界中，这些资源仍然是有限的。考虑到这一点，我们应该这样来设计所有系统：让攻击者为破坏这些系统所付出的，远远大于破坏之后他们所能得到的。端到端的安全什么是端到端的安全？在一个多层系统中，每一层都应该有其自身的安全，并且与其他层协调一致。为汇集在一起的不同系统和中间件设计安全，是一个相当大的挑战。简单地说，系统安全的程度仅相当于最弱的一环的安全程度；除非您按端到端的观点考虑安全，否则安全随时可以遭到破坏。简单性一个复杂的安全设计会起作用吗？乍看起来，制止未授权用户访问系统的最佳方法也许是，设计一个非常复杂的安全方案，但事实并非如此。不仅设计复杂的安全系统的高成本使人不敢问津，而且，要是这种安全系统太复杂了，恐怕连合法用户也难以进入。另一方面，简单系统更容易理解，也更容易分析。好的系统设计需要安全有可能对安全进行翻新吗？答案是，这几乎是不可能的。在很多情况下，翻新安全而不必重新设计系统的实质性部分，可能是不现实的。在几乎所有的情况下，翻新的成本非常昂贵。因此，安全从来不应是事后考虑的事情--从一开始它就必须是系统设计的不可分割的一部分。计算机安全的基础知识了解这样一些内容是有用的：计算机安全的防御对象、相应的防御机制，以及与计算机安全有关的不同术语。威胁威胁--对计算机安全的攻击--大致可以分为以下几类：机密性攻击：利用加密算法中的弱点或以其他方式，试图窃取机密信息。完整性攻击：出于自私或恶意而试图修改信息。应该注意的是，完整性攻击也可以是偶然的。可用性攻击：试图中断系统的正常运行。可用性攻击又称为拒绝服务(DoS)攻击，后者是最近流行的术语。几种攻击归属于上面提到的一个或几个类别。示例包括：暴力攻击通常指搜索每一把钥匙，直到用正确的那一把打开门为止。尽管这似乎是一项代价昂贵的操作，但实际上，通过使用专门的工具对搜索进行仔细安排，是可能的。特洛伊木马攻击以敌方不易察觉的方式插入一个内线。计算机病毒就是常见的特洛伊木马攻击的例子。转接攻击(person-in-the-middleattack)在双方不知道的情况下，中途截取他们的通讯信息，而双方以为他们在正常通讯。其他的攻击包括：生日攻击、字典攻击、会合攻击(meet-in-the-middleattack)等。（更全面的讨论，请参阅参考资料中BruceSchneier的AppliedCryptography。）防护物为抵御对安全的威胁，有各种各样的保护机制。在历史上，防御机制曾经包括设置某种“围墙”或“边界”，通常称为周边防御(perimeterdefense)。防火墙，周边防御的一个相当成功的示例，将内部（专用）网络与外部（公用）网络分隔开，并为公司策略提供中央控制点。然而，防火墙日益允许各种精选形式的通讯--例如HTTP--穿过它。虚拟专用网络(VPN)，尽管仍然使用共享网络，但它提供的安全级别与专用网络相同，是另一个防护物示例。密码学密码学及其相关领域密码分析学，自身与加密和解密信息的算法设计及分析有关。在下面的几节中，我们将讨论密码学与安全之间极其重要的关系。机密性机密性是保护数据免受未授权的一个或多个用户访问的方法。简单地说，就是只有预定的消息接收人才能够弄懂这一消息。如果您正在与他人交换敏感信息，您希望绝对确保只有预定的消息接收人才可以弄懂此消息，如果落入非预定的人手中，此消息实际上将变成无用的东西。机密性是用某种形式的加密技术来实现的。认证认证过程确认用户的身份。用户可以是一个软件实体，也可以是一个人。委托人是其身份已被验证的一方，与委托人相关联的是一组凭证。通常，认证根据一些仅用户和认证人知道的机密信息--例如口令--来确认身份。除了口令以外，更复杂的安全方案还将诸如智能卡或生物统计法（指纹、视网膜扫描，等等）之类的高级技术用于认证。一旦建立了认证，在实施中对用户（或者更一般的说，委托人）的访问是访问控制机制控制的。Kerberos--基于密钥和加密--展示了一种早期认证技术。这种技术使用时间戳--在一个规定的时段内会话保持有效--来实现这一点。为了正常工作，Kerberos最根本的一点是，假定分布式系统中的时钟是同步的。公用密钥基础结构(PKI)，代表一种更为普遍的认证解决方案，将在下面的几节中讨论。JavaAuthenticationandAuthorizationService(JAAS)框架，以基于用户的认证和访问控制功能补充Java2平台。JAAS是Java2SoftwareDevelopmentKit，v1.3的标准扩展。完整性比如说您发送一张电子支票。当银行最终收到该支票时，它需要弄清楚付款金额有没有被篡改，这就是称为完整性的安全概念。不可否认在上述的电子支票示例中，如果您确实发送了该支票，就应该没有办法再否认它。不可否认提供不可否认的行为证据，如给接收人的数据的原始证明或给发送人的数据收据。审计和日志保存已授予或已拒绝的资源访问的记录，可能有助于日后的审计工作。就此目的而言，审计和日志对于防止非法入侵或事后对非法入侵进行分析，是大有用处的。策略和访问控制安全策略着重控制对保护数据的访问，安全执行机制应该足够灵活以执行策略，这一点至关重要。这称为保持策略与机制相分离。尽管作出该决策的依据可能是，按照委托人身份来授权访问某一资源，但是，根据角色来管理访问控制通常更为容易。每个委托人被映射到唯一的一个角色，以达到控制访问的目的。通常这样来实现：用一个列表或矩阵，列举不同的用户/角色所拥有的对不同保护资源的访问权。Java2Platform，EnterpriseEdition(J2EE)使用基于角色的认证来执行其策略。考虑到这一点，在J2EE中，业务逻辑的开发人员根据角色来限制对特定功能的访问。密码学：保密书写的科学虽然密码学和计算机安全是两个截然不同的主题，但是计算机安全在很多方面都依赖于密码学。Java.security与几个核心包一起提供了一些Java的加密功能。Javax.crypto是主要的包，它的某些功能部件受出口控制法的控制。此外，javax.net.ssl包在必要时可用来创建安全套接字传递机密信息。下一步，让我们了解一些与密码学有关的概念。密码分析学密码分析学，与密码学正好相反，是解码或攻击秘密编码信息而无须访问密钥的艺术。密码分析学已经使用理论性攻击发现了许多算法中的安全漏洞，并导致了算法的废弃或重大修改。密码分析学在分析和验证算法，使算法更加安全方面，起着关键性作用。密码学算法有几种算法可以加密信息。一种简单的算法可能要将消息的字符轮换13个位置--称为rot13。虽然rot13是不安全的（因为原始消息很容易解密），但是它仍然普遍用于虽不安全但毕竟是已加密了的消息传送。如果以Kerckhoff在十九世纪所做的工作为基础，则密码系统的安全应该完全基于密钥的保密，而不是基于算法的保密。密钥，再加上经过充分测试和分析的算法，可用密码学方法生成安全的系统。相应地，许多广泛流行的算法可用于公众审查。对许多算法所做的密码分析学工作导致了对算法的若干修改，从而使它们的功能更强大。注：有关设计下一代加密标准的过程的信息，请参阅第一个专题。单向散列函数单向散列函数H(M)，对一则任意长度的消息进行处理，并返回一个具有固定长度m的散列值h：h=H(M)，其中h的长度为m；这一算法的安全源于其单向性，而不是其内部工作方式的保密性。更严格地说，H(M)具有以下属性：给定M，很容易计算出h给定h，很难计算出满足H(M)=h的M给定M，很难找到一则消息M'，使得H(M)=H(M')散列法是数字签名的基本部分，将在下面讨论。RSA的RonRivest设计了MD4（消息摘要）和MD5（RSA是一家安全公司的名称，它由该公司创始人RonRivest、AdiShamir和LeonardAdleman的姓氏首字母组成。MD4和MD5产生一个128位散列。SHA（安全散列法算法），由NationalInstituteofStandardsandTechnology(NIST)与NationalSecurityAgency(NSA)联合设计，它产生一个160位散列，用于数字签名算法(DSA)。SHA-1，在某些文献中简称为SHA，是1994年发表的SHA的修订版。SHA和SHA-1都是安全散列标准(SHS)的一部分，与MD4函数系列有共同之处。MD4、MD5和SHA是单向散列函数的一些示例。作为一个例子，根据MD5算法为外观类似的消息生成了下面的128位散列。表1.使用MD5的散列值原始消息散列值（用十六进制表示）aquickbrownfoxjumpedoveralazydog13b5eeb338c2318b790f2ebccb91756faquickbluefoxjumpedoveralazydog32c63351ac1c7070ab0f7d5e017dbceaaquickbrowndogjumpedoveralazyfoxa4c3b4cd38ade6b5e2e101d879a966f5对于任意长度的消息，此算法都将生成一个代表该消息的固定长度的散列。从表1可以清楚地看出，即使稍微修改消息，也会更改其散列。要找出散列值相同的一个替换消息，将是一件耗费时间的事情。到目前为止，我们已经讨论了不使用密钥的单向函数。另一方面，消息认证代码(MAC)是一种使用密钥的单向函数，可以用它们在系统上或用户之间认证文件或消息。HMAC（用于消息认证的密钥散列法）就是这种函数的一个例子。对称密码对称密码，在与密钥联合应用时，将明文转换为密文。密码也可以使用相同的密钥将密文恢复为明文。所谓对称性，即指加密和解密使用完全相同的密钥。加密和解密有两个相关的函数，如下所示：Ek(M)=C，其中M是明文，C是密文，k是密钥Dk